矿山压力与岩层控制(第6章 采场岩层移动与控制关键层)PPT课件
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• 水资源的破坏和污染
✓ 煤炭开采过程中，人为疏干排水和采动形成的导 水裂隙对煤系含水层的自然疏干，破坏了地下水 资源。同时开采还可能污染地下水资源。
✓ 以山西为例，采煤破坏地下水4.2亿m3/a，导致 井水位下降或断流共计3218个，影响水利工程 433处，水库40座，输水管道793890m；造成1678 个村庄、812715口人、108241头牲畜饮水困难。 使本来缺水的山西环境受到进一步破坏。
✓ 煤矿每年向大气排放瓦斯70-190亿m3。
煤炭开采形成的环境问题之四
• 对地面建筑物及人文环境的破坏
✓ 导致村庄被迫迁徙。 ✓ 以淮北矿业集团为例，2001年，13个村庄因采
煤塌陷被迫搬迁，共计1412户、5535人迁徙
绿色开采的提出
✓提出并尽快形成煤矿的“绿色开采技术 ”已迫在眉睫。
✓事实上，中国矿业大学教授钱鸣高院士 及其领导的课题组，从20世纪九十年代 初已开始了有关“绿色开采技术”的研 究和实践。在长期研究和实践的基础上 ，钱院士正式提出了煤矿绿色开采的理 念及其技术体系。
• 矿井瓦斯定义：矿井中主要以甲烷为主 的有害气体的总称。——煤层气。
• 瓦斯抽放——煤层气开采（抽采） • 矿井水文地质类型：根据矿井水文地质
条件、涌水量、水害情况和防治水难易 程度，……类型。
煤矿绿色开采的特点之二
• 从开采的角度采取措施，即从源头消除或 减少采矿对环境的破坏，而不是先破坏后 治理。因此，矸石的井上处理与土地复垦 是属于环境治理问题，而不属于绿色开采 问题。
煤炭地下 气化
绿色开采技术体系
若干待研究的问题
• 采动破裂煤岩体中水与瓦斯流动规律，需建 立采动破裂煤岩体渗流实验研究系统；
• 基于岩层移动与关键层理论的开采沉陷预测 与建筑物下采煤的定量设计方法；
• 适合煤矿特点的充填采矿材料与工艺系统； • 煤矿绿色开采技术的经济评价方法与法规。
第二节 岩层控制的关键层理论
发展提供了理论基础。 因而，一定程度上绿色开采技术可叫做
“基于岩层控制的绿色开采技术”。
岩层移动
煤炭开采
排放矸石
关பைடு நூலகம்键
地下水流失 与突水事故
瓦斯卸压流动、瓦斯事 故与排放瓦斯污染环境
地表塌陷、土地 占用土地 与建筑物损害 污染环境
层
理
论
保水 开采
煤与煤层气 共采
条带开采 充填开采
矸石不出井 与煤巷支护
煤矿绿色开采的内涵
• 煤矿绿色开采及绿色开采技术,在基本概念 上是从广义资源的角度上来认识和对待煤 、瓦斯、水、土地等一切可以利用的各种 资源。
基本出发点：从开采的角度防止或尽可能减 轻开采煤炭对环境和其他资源的不良影响； 目标：取得最佳的经济效益、环境效益和社 会效益。
煤矿绿色开采的特点之一
• 从广义资源的角度论，在矿区范围内的煤 炭、地下水、煤层内所涵的瓦斯、土地、 煤矸石以及在煤层附近的其他矿床都应该 是经营这个矿区的开发对象，都应该被加 以利用。
煤矿绿色开采的特点之三
开采引起环境与主要安全问题的发生都 与开采后造成的岩层运动有关（岩体不 破坏上述问题都不会发生）。因而，绿 色开采的基础理论为： 1）采矿后岩层内的“节理裂隙场”分布
以及离层规律； 2）开采对岩层与地表移动的影响规律
3）水与瓦斯在裂隙岩体中的渗流规律； 4）岩体应力场分布规律及岩层控制技术 的关键层理论，为煤矿绿色开采技术的
煤炭开采形成的环境问题之三
• 对大气环境的污染
✓ 主要来自矿井排出的瓦斯和矸石山的自燃。 ✓ 瓦斯即煤层气，它是比CO2还严重的温室气体
，也是导致煤矿重大安全事故的根源。同时瓦 斯又是最好的清洁能源。
✓ 建国以来,我国煤矿发生煤与瓦斯突出事故 1500余次,仅2001年由于瓦斯事故的死亡人数 达2356人，为煤矿总死亡人数的40%。
煤炭开采形成的环境问题之一
• 对土地资源的破坏和占用。
✓ 井工开采以地表塌陷和矸石山压占为主，而露 天开采则以直接挖损和外排土场压占为主。
✓ 平均每采万吨原煤造成塌陷土地0.2公顷，每 年新增塌陷地约2万公顷。
✓ 以山西省为例，至1998年煤炭地下采空面积达 1300Km2（占全省面积的1%）。
煤炭开采形成的环境问题之二
一、关键层的概念
• 采场老顶岩层“砌体梁”结构模型是针对
开采过程中的矿山压力控制而提出来的。
• 1996年，在采场老顶岩层“砌体梁”理论
基础上，钱鸣高院士提出了岩层控制的关 键层理论。
• 关键层理论提出目的：研究开采层状矿体
中厚硬岩层对岩层中节理裂隙的分布、对 瓦斯抽放、对突水防治以及对开采沉陷控 制等的影响。因此它是绿色采矿的基础理 论之一。
(5) 支承特征：关键层破坏前以“板”(或简化为“ 梁”)结构作为全部岩层或局部岩层的承载主体，断裂 后则成为砌体梁结构，继续成为承载主体。
➢关键层的定义
将对岩体活动的全部或局部起控制作用的岩 层称为关键层。覆岩中的关键层一般为厚度 较大的硬岩层，但覆岩中的厚硬岩层不一定 都是关键层。关键层判别的主要依据是其变 形和破断特征，即在关键层破断时，其上覆 全部岩层或局部岩层的下沉变形是相互协调 一致的，前者称为岩层活动的主关键层，后 者称为亚关键层。显然，覆岩中的亚关键层 可能不止一层，而主关键层只有一层。
采动岩体中的关键层有如下特征：
(1) 几何特征：相对其它相同岩性的岩层厚度较厚。
(2) 岩性特性：相对其它岩层较为坚硬，即弹性模量 较大，强度较高。
(3) 变形特征：在关键层下沉变形时，其上部全部或 局部岩层的下沉量是同步协调的。
(4) 破断特征：关键层的破断将导致全部或局部岩层 的破断，引起较大范围内的岩层移动。
第六章 采场岩层移动与控制
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
岩层移动引起的采动损害概述 岩层控制的关键层理论 采场上覆岩层移动规律 采场底板破坏与突水 采场上覆岩层移动控制技术
第一节 岩层移动引起的采动损害
(1)形成矿山压力显现， 需对采场围岩进行 支护。 (2) 岩层移动形成采动裂隙，会引起周围岩 体中的水与瓦斯的运移，需对此进行控制 与利用。 (3) 岩层移动发展到地表引起地表沉陷， 导致农田、建筑设施的毁坏，需要对地表 沉陷进行预测与控制。
✓ 煤炭开采过程中，人为疏干排水和采动形成的导 水裂隙对煤系含水层的自然疏干，破坏了地下水 资源。同时开采还可能污染地下水资源。
✓ 以山西为例，采煤破坏地下水4.2亿m3/a，导致 井水位下降或断流共计3218个，影响水利工程 433处，水库40座，输水管道793890m；造成1678 个村庄、812715口人、108241头牲畜饮水困难。 使本来缺水的山西环境受到进一步破坏。
✓ 煤矿每年向大气排放瓦斯70-190亿m3。
煤炭开采形成的环境问题之四
• 对地面建筑物及人文环境的破坏
✓ 导致村庄被迫迁徙。 ✓ 以淮北矿业集团为例，2001年，13个村庄因采
煤塌陷被迫搬迁，共计1412户、5535人迁徙
绿色开采的提出
✓提出并尽快形成煤矿的“绿色开采技术 ”已迫在眉睫。
✓事实上，中国矿业大学教授钱鸣高院士 及其领导的课题组，从20世纪九十年代 初已开始了有关“绿色开采技术”的研 究和实践。在长期研究和实践的基础上 ，钱院士正式提出了煤矿绿色开采的理 念及其技术体系。
• 矿井瓦斯定义：矿井中主要以甲烷为主 的有害气体的总称。——煤层气。
• 瓦斯抽放——煤层气开采（抽采） • 矿井水文地质类型：根据矿井水文地质
条件、涌水量、水害情况和防治水难易 程度，……类型。
煤矿绿色开采的特点之二
• 从开采的角度采取措施，即从源头消除或 减少采矿对环境的破坏，而不是先破坏后 治理。因此，矸石的井上处理与土地复垦 是属于环境治理问题，而不属于绿色开采 问题。
煤炭地下 气化
绿色开采技术体系
若干待研究的问题
• 采动破裂煤岩体中水与瓦斯流动规律，需建 立采动破裂煤岩体渗流实验研究系统；
• 基于岩层移动与关键层理论的开采沉陷预测 与建筑物下采煤的定量设计方法；
• 适合煤矿特点的充填采矿材料与工艺系统； • 煤矿绿色开采技术的经济评价方法与法规。
第二节 岩层控制的关键层理论
发展提供了理论基础。 因而，一定程度上绿色开采技术可叫做
“基于岩层控制的绿色开采技术”。
岩层移动
煤炭开采
排放矸石
关பைடு நூலகம்键
地下水流失 与突水事故
瓦斯卸压流动、瓦斯事 故与排放瓦斯污染环境
地表塌陷、土地 占用土地 与建筑物损害 污染环境
层
理
论
保水 开采
煤与煤层气 共采
条带开采 充填开采
矸石不出井 与煤巷支护
煤矿绿色开采的内涵
• 煤矿绿色开采及绿色开采技术,在基本概念 上是从广义资源的角度上来认识和对待煤 、瓦斯、水、土地等一切可以利用的各种 资源。
基本出发点：从开采的角度防止或尽可能减 轻开采煤炭对环境和其他资源的不良影响； 目标：取得最佳的经济效益、环境效益和社 会效益。
煤矿绿色开采的特点之一
• 从广义资源的角度论，在矿区范围内的煤 炭、地下水、煤层内所涵的瓦斯、土地、 煤矸石以及在煤层附近的其他矿床都应该 是经营这个矿区的开发对象，都应该被加 以利用。
煤矿绿色开采的特点之三
开采引起环境与主要安全问题的发生都 与开采后造成的岩层运动有关（岩体不 破坏上述问题都不会发生）。因而，绿 色开采的基础理论为： 1）采矿后岩层内的“节理裂隙场”分布
以及离层规律； 2）开采对岩层与地表移动的影响规律
3）水与瓦斯在裂隙岩体中的渗流规律； 4）岩体应力场分布规律及岩层控制技术 的关键层理论，为煤矿绿色开采技术的
煤炭开采形成的环境问题之三
• 对大气环境的污染
✓ 主要来自矿井排出的瓦斯和矸石山的自燃。 ✓ 瓦斯即煤层气，它是比CO2还严重的温室气体
，也是导致煤矿重大安全事故的根源。同时瓦 斯又是最好的清洁能源。
✓ 建国以来,我国煤矿发生煤与瓦斯突出事故 1500余次,仅2001年由于瓦斯事故的死亡人数 达2356人，为煤矿总死亡人数的40%。
煤炭开采形成的环境问题之一
• 对土地资源的破坏和占用。
✓ 井工开采以地表塌陷和矸石山压占为主，而露 天开采则以直接挖损和外排土场压占为主。
✓ 平均每采万吨原煤造成塌陷土地0.2公顷，每 年新增塌陷地约2万公顷。
✓ 以山西省为例，至1998年煤炭地下采空面积达 1300Km2（占全省面积的1%）。
煤炭开采形成的环境问题之二
一、关键层的概念
• 采场老顶岩层“砌体梁”结构模型是针对
开采过程中的矿山压力控制而提出来的。
• 1996年，在采场老顶岩层“砌体梁”理论
基础上，钱鸣高院士提出了岩层控制的关 键层理论。
• 关键层理论提出目的：研究开采层状矿体
中厚硬岩层对岩层中节理裂隙的分布、对 瓦斯抽放、对突水防治以及对开采沉陷控 制等的影响。因此它是绿色采矿的基础理 论之一。
(5) 支承特征：关键层破坏前以“板”(或简化为“ 梁”)结构作为全部岩层或局部岩层的承载主体，断裂 后则成为砌体梁结构，继续成为承载主体。
➢关键层的定义
将对岩体活动的全部或局部起控制作用的岩 层称为关键层。覆岩中的关键层一般为厚度 较大的硬岩层，但覆岩中的厚硬岩层不一定 都是关键层。关键层判别的主要依据是其变 形和破断特征，即在关键层破断时，其上覆 全部岩层或局部岩层的下沉变形是相互协调 一致的，前者称为岩层活动的主关键层，后 者称为亚关键层。显然，覆岩中的亚关键层 可能不止一层，而主关键层只有一层。
采动岩体中的关键层有如下特征：
(1) 几何特征：相对其它相同岩性的岩层厚度较厚。
(2) 岩性特性：相对其它岩层较为坚硬，即弹性模量 较大，强度较高。
(3) 变形特征：在关键层下沉变形时，其上部全部或 局部岩层的下沉量是同步协调的。
(4) 破断特征：关键层的破断将导致全部或局部岩层 的破断，引起较大范围内的岩层移动。
第六章 采场岩层移动与控制
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
岩层移动引起的采动损害概述 岩层控制的关键层理论 采场上覆岩层移动规律 采场底板破坏与突水 采场上覆岩层移动控制技术
第一节 岩层移动引起的采动损害
(1)形成矿山压力显现， 需对采场围岩进行 支护。 (2) 岩层移动形成采动裂隙，会引起周围岩 体中的水与瓦斯的运移，需对此进行控制 与利用。 (3) 岩层移动发展到地表引起地表沉陷， 导致农田、建筑设施的毁坏，需要对地表 沉陷进行预测与控制。